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Title:
MIXED SYSTEM FOR TREATING AND PRODUCING WATER AND GENERATING ELECTRICITY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/215292
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a mixed system for treating and producing water and generating electricity, which comprises solar panels (10), one or more wind turbines (11) with their voltage converters (12), a unit for filtering and pumping water (13) and a water reserve (14), a battery (15) for storing electricity and its charge/discharge controller (16); a controllable device (17) for converting input voltage, supplying the unit for filtering and pumping water and connected bidirectionally (101, 102) to the battery and to an external electrical network, characterised in that it includes an electronic management device (18) connected to the voltage conversion system, to the charge/discharge controller of the battery and to the filtration unit and which manages the storage of electricity, manages the generation of electricity through the voltage converter system, and manages the production of water according to a program for managing the system, adapting the production of water and the generation of electricity to atmospheric conditions according to a ratio of water-storage capacity to needs.

Inventors:
SUTY, Hervé (12 rue de Canteret, BLANQUEFORT, 33290, FR)
Application Number:
EP2019/061954
Publication Date:
November 14, 2019
Filing Date:
May 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TERGYS (12 rue de Canteret, BLANQUEFORT, 33290, FR)
International Classes:
B01D3/42; C02F1/04; C02F1/14; C02F1/44; H02J3/38
Domestic Patent References:
WO2012019059A22012-02-09
Foreign References:
US7775374B12010-08-17
CN202808493U2013-03-20
CN107337289A2017-11-10
CN106058921A2016-10-26
CN103011343A2013-04-03
EA200501571A12006-06-30
US7775374B12010-08-17
Attorney, Agent or Firm:
DESCHAMPS, Samuel (IPSIDE, 7-9 Allées Haussmann, BORDEAUX, 33300, FR)
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Claims:
R E V E N D I C A T I O N S

1 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité comprenant des panneaux solaires (10), une ou plusieurs éoliennes (11 ) avec leurs convertisseurs de tension (12), une unité de filtration et de pompage d'eau (13) et une réserve d'eau (14), une batterie (15) de stockage d'électricité et son contrôleur (16) de charge/décharge; un dispositif pilotable de conversion de tension d'alimentation (17), alimentant l'unité de filtration et de pompage d'eau et relié de manière bidirectionnelle (101 , 102) à la batterie et à un réseau électrique extérieur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de gestion électronique (18) raccordé au dispositif pilotable de conversion de tension d’alimentation (17), au contrôleur de charge/décharge de la batterie et à l'unité de filtration et qui procède à la gestion du stockage d'électricité, à la gestion de la production d'électricité au travers du dispositif pilotable de conversion de tension d’alimentation (17) et à la gestion de la production d'eau selon un programme de gestion du système adaptant la production d'eau et d'électricité selon les conditions atmosphériques et selon un ratio capacité de stockage d'eau sur besoins.

2 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon la revendication 1 pour lequel le programme de gestion du dispositif de gestion électronique comporte des tables horaires (301 a, 301 b, 302a, 302b, 303a, 303c) de moyennes de besoins en eau/conditions atmosphériques, ledit dispositif de gestion, comportant des moyens de commande de l'unité de filtration et de pompage, de commande du système de conversion et et de commande du contrôleur de charge/décharge, pilote le programme en tenant compte desdites tables horaires.

3 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon la revendication 1 ou 2 pour lequel le dispositif de gestion électronique est raccordé à une sonde de mesure (107) de niveau de la réserve d'eau (14), le programme de gestion étant adapté à rendre prioritaire le remplissage de la réserve en cas de baisse du niveau de la réserve sous un seuil déterminé. 4 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon la revendication 3 pour lequel le programme de gestion est adapté à rendre prioritaire le renvoi d'électricité sur le réseau (Rz) et couper le pompage au cas où le niveau maximal de la réserve est atteint.

5 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'unité de pompage et de filtration (13) comporte des modules membranaires par microfiltration ou ultrafiltration et/ou Osmose Inverse.

6 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le dispositif de gestion électronique est alimenté sur le circuit batterie (101 ) du dispositif de conversion de tension (17).

7 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un dispositif de chauffage (26) de l’eau avant l'unité de filtration par un circuit (22, 23, 24, 25) de récupération de chaleur des panneaux solaires.

8 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les panneaux solaires (10), la batterie (15) et la réserve d'eau (14) sont dimensionnés pour assurer une réserve d'une demi-journée à cinq journées de consommation moyenne en l'absence de recharge de la batterie.

9 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour lequel :

D*(Cp+Ct)*5<Qb+Qe<D*(Cp+Ct)*5*24

où :

- D est le débit d’alimentation moyen en m3/h;

- Cp est la consommation en kWh/m3 du pompage d’eau brute;

- Ct est la consommation en kWh/m3 du traitement d'eau;

- Qb est la capacité de déchargement de la batterie en kWh comprise en 2% et 98% de taux de charge et de préférence entre 10 et 95 %;

- Qe= (Cp+Ct)*V, avec V le volume du stockage d’eau, est la capacité énergétique équivalente en kWh du stockage d'eau. 10 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel, pour une consommation moyenne de 1 à 3m3/h, la réserve d'eau (14) contient de l'ordre de 30m3, la batterie (15) est une batterie adaptée à fournir de l'ordre de 10kWh d'énergie et l'unité de pompage et de filtration d'eau (13) est adaptée à traiter au moins 3m3/h d'eau.

11 - Système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications précédentes adapté à produire de l'eau potable.

Description:
SYSTEME MIXTE DE TRAITEMENT ET PRODUCTION D'EAU ET DE

PRODUCTION D'ELECTRICITE

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité, c'est-à-dire, un système adapté selon les conditions atmosphériques et les besoins à produire de l'eau filtrée et/ou de l'électricité.

État de la technique

On connaît des systèmes autonomes de production d’eau et d’électricité essentiellement à partir d’une seule énergie renouvelable utilisant des panneaux solaires, ainsi que des systèmes autonomes de production d’énergie exclusivement pour fournir de l’électricité et répondre à d’autres usages.

Un système complexe combiné de génération d'énergie et d'eau est décrit dans le document CN106058921 A, ce système repose sur une combinaison solaire/éolien et permet une production d’hydrogène, par électrolyse de l’eau pour stocker l’énergie, et un apport de chaleur nécessaire à la distillation d’eau de mer par la combustion de l’hydrogène.

Le document CN103011343A décrit un système de dessalement avec production d’énergie à partir d’éolien, stockage d’énergie sur batterie et production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, afin de réaliser un dessalement thermique au travers d’une chaudière.

Le document EA200501571A1 décrit une configuration en plateforme de type « skid » d’un système hybride solaire/éolien permettant la production d’énergie qui sera stocké ou qui servira au pompage ou au traitement de l’eau.

Le document US7775374B1 décrit quant à lui une unité de purification d’eau potentiellement contaminée comportant une pompe, un filtre principal et une sortie de distribution, ladite unité étant alimentée en énergie par un groupe de batteries et une source d’alimentation autre que le réseau.

Aucune solution ne propose une gestion intelligente énergétique d’un système combinant plusieurs énergies renouvelables avec une hybridation de stockage énergétique sous forme de stockage sur batteries et stockage d’eau. Présentation de l'invention

Au vu de cet état de la technique, la présente invention propose principalement un système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité comprenant des panneaux solaires, une ou plusieurs éoliennes avec leurs convertisseurs de tension, une unité de filtration et de pompage d'eau et une réserve d'eau, une batterie de stockage d'électricité et son contrôleur de charge/décharge ; un dispositif pilotable de conversion de tension d'alimentation, alimentant l'unité de filtration et de pompage d'eau et relié de manière bidirectionnelle à la batterie et à un réseau électrique extérieur, Ce système est remarquable en ce qu’il comporte un dispositif de gestion électronique raccordé au dispositif pilotable de conversion de tension d’alimentation, au contrôleur de charge/décharge de la batterie et à l'unité de filtration et qui procède à la gestion du stockage d'électricité, à la gestion de la production d'électricité au travers du dispositif pilotable de conversion de tension d’alimentation et à la gestion de la production d'eau selon un programme de gestion du système adaptant la production d'eau et d'électricité selon les conditions atmosphériques et selon un ratio capacité de stockage d'eau sur besoins.

Avantageusement, le programme de gestion du dispositif de gestion électronique comporte des tables horaires de moyennes de besoins en eau/conditions atmosphériques, ledit dispositif de gestion, comportant des moyens de commande de l'unité de filtration et de pompage, de commande du système de conversion et de commande du contrôleur de charge/décharge, pilote le programme en tenant compte desdites tables horaires.

Préférablement, le dispositif de gestion électronique est raccordé à une sonde de mesure de niveau de la réserve d'eau, le programme de gestion étant adapté à rendre prioritaire le remplissage de la réserve en cas de baisse du niveau de la réserve sous un seuil déterminé.

Selon un mode de réalisation particulier, le programme de gestion est adapté à rendre prioritaire le renvoi d'électricité sur le réseau et couper le pompage au cas où le niveau maximal de la réserve est atteint. Selon un mode de réalisation particulier, l'unité de filtration et de pompage comporte une cartouche de filtration membranaire par microfiltration ou ultrafiltration et/ou Osmose Inverse.

Avantageusement, le dispositif de gestion électronique est alimenté sur un circuit batterie du dispositif de conversion de tension.

Avantageusement, le système de l'invention comporte un dispositif de chauffage de l’eau à traiter placé avant l'unité de filtration comportant un circuit de récupération de chaleur des panneaux solaires.

Les panneaux solaires, la batterie et la réserve d'eau sont préférablement dimensionnés pour assurer une réserve d'une demi-journée à cinq journées de consommation moyenne en l'absence de recharge de la batterie.

Avantageusement, le système est tel que :

où :

- D est le débit d’alimentation moyen en m 3 /h ;

- Cp est la consommation en kWh/m3 du pompage d’eau brute ;

- Ct est la consommation en kWh/m3 du traitement d'eau ;

- Qb est la capacité de déchargement de la batterie en kWh comprise en 2% et 98% de taux de charge et de préférence entre 10 et 95 % ;

- Qe = (Cp+Ct) * V, avec V le volume du stockage d’eau, est la capacité énergétique équivalente en kWh du stockage d'eau.

Selon un mode de réalisation particulier, pour une consommation moyenne de 1 à 3m 3 /h, la réserve d'eau (14) contient de l'ordre de 30m 3 , la batterie (15) est une batterie adaptée à fournir de l'ordre de 10kWh d'énergie et l'unité de pompage et de filtration d'eau (13) est adaptée à traiter au moins 3m 3 /h d'eau.

Avantageusement le système mixte de traitement et de production d'eau et de production d'électricité est adapté à produire de l'eau potable.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent :

En figure 1 : une représentation schématique d'un système de l'invention ; En figure 2 : une représentation schématique d'un exemple de dispositif de chauffage d'une unité de filtration de l'invention ;

En figure 3 : une vue schématique du système de l’invention installé.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

L'invention telle que schématisée en figures 1 et 3 est un système mixte de production d'eau potable et d'électricité qui comprend pour la partie génération électrique des panneaux solaires 10 et une ou plusieurs éoliennes 11 avec leurs convertisseurs de tension 12.

La partie hydraulique comporte une unité de pompage et de filtration d'eau 13 qui pompe de l'eau 201 par exemple dans un bassin 20, une rivière, une nappe phréatique ou la mer.

Cette unité est reliée par une canalisation 202 à une réserve d'eau 14 qui dessert un réseau par une canalisation 203.

Le système comporte une batterie 15 de stockage d'électricité et son contrôleur 16 de charge/décharge et un dispositif pilotable 17 de conversion de tension d'alimentation.

Ce dispositif de conversion de tension est alimenté à partir des panneaux solaire en basse tension par une liaison 108. Il assure la liaison électrique bidirectionnelle sous 48V avec la batterie au travers de son contrôleur de charge/décharge 16 et un bus d'alimentation 101 relié en outre aux convertisseurs 12 de la ou des éoliennes 11. Le dispositif de conversion fournit en outre l'alimentation en moyenne tension 380V ou 220V avec l'unité de filtration et de pompage d'eau et comporte une connexion bidirectionnelle à un réseau électrique extérieur en 220V par exemple.

Le système comporte selon l'invention un dispositif de gestion électronique

(Electronic Management System EMS) 18 raccordé au système de conversion de tension, au contrôleur de charge/décharge de la batterie et à l'unité de filtration. Ce dispositif procède à la gestion du stockage d'électricité, de la production d'électricité au travers du système de conversion de tension et de la production d'eau.

Il comporte pour ce faire des lignes de communication informatiques 103, 104, 105, 106 , bus RS232, USB, Ethernet ou autre pour piloter les divers organes du système. Le dispositif de gestion électronique 18 est muni d'un programme de gestion du système conçu pour adapter la production d'eau et d'électricité selon les conditions atmosphériques et selon un ratio capacité de stockage d'eau sur besoins.

Pour affiner la gestion du système, le programme de gestion du dispositif de gestion électronique comporte des tables horaires telles que les tables 301 a, 301 b, 302a, 302b, 303a, 303c, (ci-dessous) de moyennes de besoins en eau/conditions atmosphériques du lieu où est installé le système pour une utilisation eau potable, ou 401 a, 401 b (ci-dessous) pour une utilisation eau industrielle utilisée en discontinu sur une réalisation possible.

Ces tables de données fournies à titre d'exemple en fin du présent texte sous forme de tableaux sont issues de mesure sur un site de Saint Denis de Pile en Gironde, France.

Les tables représentées sont relatives à une installation dont les valeurs mini/maxi de stockage d'énergie sont de 2kWh/9,5kWh et les valeurs mini/maxi de stockage d'eau sont de 6m 3 /30m 3 .

Les tables 301a, 301 b sont un exemple associé à une utilisation eau potable qui donne les priorités entre le traitement de l'eau, le pompage de l'eau, le stockage électrique et le renvoi d'électricité sur le réseau ainsi que l'affectation de l'énergie éolienne le cas échéant dans le cas d'un ensoleillement fort sur une journée.

Les tables 302a, 302b correspondent à la répartition en cas d'ensoleillement moyen et les tables 303a, 303b dans le cas d'un ensoleillement faible toujours pour de l'eau potable.

Les tables 401 A et 401 B sont données à titre d'exemple pour une utilisation industrielle en discontinu avec un ensoleillement fort et les figures 402a et 402b pour une utilisation industrielle en discontinu avec un ensoleillement faible.

Des tables de même type peuvent être calculées de la même manière pour une utilisation d'eau industrielle en fonctionnement continu c'est-à-dire avec un besoin en eau constant dans la journée.

Le dispositif de gestion électronique est programmé avec les tables correspondant à l'usage du système et au lieu de production. A partir de ces tables et des conditions de fonctionnement instantanées du système, le dispositif de gestion commande le fonctionnement de l'unité de filtration et de pompage, du système de conversion et du contrôleur de charge/décharge par des liaisons de type informatique telles que représentées.

L'ensemble des organes du système peuvent aussi être reliés au travers d'un réseau informatique local.

Pour la gestion instantanée, le dispositif de gestion électronique est selon l'exemple aussi raccordé à une sonde de mesure 107 de niveau de la réserve d'eau 14, le programme de gestion étant adapté à rendre prioritaire le remplissage de la réserve en cas de baisse du niveau de la réserve sous un seuil déterminé. A contrario, le programme de gestion peut aussi rendre prioritaire le renvoi d'électricité sur le réseau Rz et couper le pompage au cas où le niveau maximal de la réserve est atteint.

L'unité de filtration et de pompage 13 comporte des modules de filtration par ultrafiltration, Osmose inverse ou tout autre moyen de filtration. Elle peut comporter des moyens supplémentaires de stérilisation par apport de chlore notamment et/ou une unité de désalinisation.

Le circuit électrique basse tension 101 selon la figure 1 relie le dispositif de conversion de tension 17, le convertisseur 12 de l'éolienne, les batteries 15 au travers de leur contrôleur décharge /décharge 16 et le dispositif de gestion électronique qui est alimenté sur le circuit batterie 101 du dispositif de conversion de tension 17.

La figure 2 représente un perfectionnement pour lequel le système comporte un dispositif de chauffage 26 de l’eau à traiter avant l'unité de filtration par un circuit 22, 23, 24, 25 de récupération de chaleur des panneaux solaires.

En effet, il peut être intéressant de réchauffer l'eau avant l’unité de filtration par ultrafiltration et/ou d’osmose inverse pour en accroître son rendement. Pour ce faire, un circuit d'eau 21 , 23 primaire, par exemple un circuit rebouclé comporte des tubulures 22 sous les panneaux solaires 10 qui récupèrent la chaleur emmagasinée dans ces panneaux. Avantageusement, la récupération de cette chaleur va permettre en outre d’abaisser la température des panneaux solaires et améliorer leur rendement (de 5 à 15%) Un premier échangeur de chaleur 24 transfère la chaleur dans un circuit secondaire 25 pourvu d'un second échangeur de chaleur 26, par exemple un serpentin, au niveau de la tubulure d'arrivée de l'unité de pompage et de filtration 13.

Ces circuits d'eau sont par exemple mis en circulation par des pompes non représentées.

Un fonctionnement correct de l'installation est obtenu avec des panneaux solaires 10, une batterie 15 et une réserve d'eau 14 dimensionnés pour assurer une réserve d'une demi-journée de consommation moyenne en l'absence de recharge de la batterie.

Pour un fonctionnement tel que l'on ait au global une capacité maximum d’autonomie de 5 jours et un mode de fonctionnement des batteries qui permet de préserver leur durée de vie (on peut multiplier par au moins un facteur 3 la durée de vie de batterie Li-lon en les faisant fonctionner dans une plage de 10 à 95% de leur capacité de charge décharge on dimensionne le système pour avoir :

D*(Cp+Ct)*5<Qb+Qe<D*(Cp+Ct)*5*24

où :

- D est le débit d’alimentation moyen en m 3 /h;

- Cp est la consommation en kWh/m 3 du pompage d’eau brute;

- Ct est la consommation en kWh/m 3 du traitement d'eau ;

- Qb est la capacité de déchargement de la batterie en kWh comprise en 2% et 98% de taux de charge et de préférence entre 10 et 95 %;

- Qe = (Cp+Ct) * V, avec V le volume du stockage d’eau, est la capacité énergétique équivalente en kWh du stockage d'eau.

A titre d'exemple, le système, pour une consommation moyenne de 1 à

3m 3 /h, peut être équipé d'une réserve d'eau 14 contenant jusqu'à 30m 3 , d'une batterie 15 adaptée à fournir jusqu'à 10kWh d'énergie et une unité de filtration et de pompage d'eau 13 adaptée à traiter au moins 3m 3 /h.

La batterie est réalisée à partir d'un ensemble de cellules adaptées à fournir une tension de 48V par exemple et peut être une batterie dite de seconde vie, c'est-à-dire une batterie usagée.

Des exemples de dimensionnement sont donnés dans les tableaux ci * après : Tableau 301a ensoleillement max 1/2

Tableau 301 b ensoleillement max 2/2

Tableau 302a ensoleillement moyen 1/2

Tableau 302b ensoleillement moyen 2/2

Tableau 303a ensoleillement négligeable 1/2

Tableau 303b ensoleillement négligeable 2/2

Tableau 401a ensoleillement max 1/2

Tableau 401b ensoleillement max 2/2

Tableau 402a ensoleillement négligeable 1/2

Tableau 402b ensoleillement négligeable 2/2

Les valeurs mesurées varient selon le lieu où doit être installé le système et sont à déterminer au cas par cas pour réaliser le programme de contrôle du système et dimensionner les équipements.